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  國際上將碳捕集、利用與封存（CCUS）作為實現(xiàn)長期減碳減排的重要措施，CCUS技術(shù)對于降低全球二氧化碳排放量至關(guān)重要。CCUS也是實現(xiàn)我國長期綠色低碳發(fā)展的必然選擇和重要舉措，然而CCUS技術(shù)高速發(fā)展必然會帶來裝備的腐蝕與防護難題。通常在高溫高壓條件下，或在水、氮氧化物和有機污染物存在的情況下CCUS會對設(shè)備造成兩種腐蝕。一種是以超臨界CO₂為主體，超臨界狀態(tài)下的CO₂具有特殊的溶解性能，會將金屬表面防護層中穩(wěn)定成分溶解，造成涂層失效；另一種是水為主體，其中含有的離子會增強溶液的電導率促進碳酸的腐蝕反應，造成腐蝕的加劇。因此，亟需新型涂層防腐技術(shù)，大幅延長和保障裝備在苛刻CO2工況下服役壽命，是響應國家能源保穩(wěn)政策，同時貫徹國家“雙碳”戰(zhàn)略目標的有效方式。

  針對上述重大需求，天津大學汪懷遠教授帶領(lǐng)AFCC團隊開展了深入研究，將TiO₂-ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)負載到氧化石墨烯（GO）納米片表面，可有效誘導電子-空穴的分離并完成光致親水轉(zhuǎn)化功能。通過紫外光（UV）照射，PFDTMS改性的F/T-Z-G填料由疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性。利用上述思想設(shè)計具有表面親水自清潔，底層具有強效屏蔽性能的功能一體化涂層，該涂層可應用于CCUS領(lǐng)域高溫高壓苛刻工況下CO₂運輸儲存設(shè)備腐蝕防護與自清潔。

圖1. 分別為純聚脲涂層、20% T-Z-G聚脲涂層、20% F/T-Z-G聚脲涂層、HTHP聚脲涂層、HTHP 20% T-Z-G聚脲涂層和HTHP 20% F/T-Z-G聚脲涂層在2.8 MPaCO₂和3.5wt.% NaCl溶液環(huán)境中浸泡24小時前(a)后(b)的EIS結(jié)果

圖2. (a)純聚脲涂層，(b) F/T-Z-G聚脲涂層的保護機制圖;和(c, d)機理轉(zhuǎn)化過程；(e) 20% F/T-Z-G聚脲涂層下基材的XPS總光譜圖：(f)Fe2p (g) O1s 和 (h) C1s。

  對于純聚脲涂層（圖2a），腐蝕介質(zhì)可以迅速到達鋼板表面并造成嚴重腐蝕，而F/T-Z-G聚脲涂層（圖2b）的保護機理可分為三部分：（1）F/T-Z提高了GO的分散性，使聚脲基體更致密、缺陷和孔隙更少，有效抑制腐蝕介質(zhì)的擴散。(2)含氟基團具有優(yōu)異的疏水性能，有效防止水和腐蝕性介質(zhì)接觸基材表面，進一步增強涂層的屏蔽性能。(3) 如圖2c、d所示，TiO₂-ZnO異質(zhì)結(jié)在涂層表面將氧氣或水分子捕獲形成羥基自由基(OH?)。同時，通過XPS表征可以得出結(jié)論，Fe²⁺和Fe³⁺與OH?結(jié)合形成Fe₃O₄，然后在鋼表面形成鈍化膜（圖2 e-h）。涂層與鋼板界面形成的穩(wěn)定保護膜覆蓋在鋼板的整個表面，降低了鋼板的腐蝕速率。

  綜上所述，該工作設(shè)計制備了表層親水自清潔和底層疏水防腐的多功能一體防腐涂層，既解決現(xiàn)有多層噴涂的問題又有效的應用于CCUS設(shè)備腐蝕領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，團隊進一步將涂層耐蝕性能提高到覆蓋20MPa、150℃的CO₂超臨界液體腐蝕范圍，為極端環(huán)境下CCUS裝備腐蝕防護提供了技術(shù)方案。

  文章原文：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109638